Kilowatt-Peak

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Kilowattpeak (kWp): Elektrische Spitzenleistung einer PV-Anlage

Die Maßeinheit Kilowattpeak (kWp) bezeichnet die maximale Leistung von Photovoltaikmodulen unter Standardbedingungen. So lautet die offizielle Definition. Sie verrät jedoch nichts über diese Bedingungen – und warum die Einheit als Leistungsangabe bei angebotenen PV-Anlagen gebräuchlich ist. Wir erläutern den Begriff Kilowatt-Peak, worauf diese Leistungsangabe beruht und welche Vor- und Nachteile die im Labor ermittelte Nennleistung hat. Außerdem lesen Sie, was das für den Stromertrag und die Dimensionierung der PV-Anlage bedeutet.

Solarzellen in einem Labor © luchschenF, stock.adobe.com
Solarzellen werden in einem Labor auf ihre Leistung untersucht © luchschenF, stock.adobe.com

Die Einheit KilowattPeak einfach erklärt

Die Leistung einer Photovoltaik-Anlage besteht darin, Lichtenergie der Sonne in elektrische Energie umzuwandeln. Da die Lichtenergie aber nicht zu jeder Stunde jeden Tages, an jedem Ort und auf jedem Dach gleich ist, benötigt die normierte Maßeinheit Watt für die Leistung eine Modifikation. Ziel war von Anfang an, die Werte aller Solaranlagen vergleichbar zu machen. Durchgesetzt haben sich standardisierte Testbedingungen, unter denen optimale Leistungswerte ermittelt werden: die Nennleistung, auch „installierte Leistung“, mit der Maßeinheit KilowattPeak (kWP), in moderner Schreibweise üblicherweise Kilowattpeak, Kilowatt-Peak bzw. kWp.

Hinweis: Analog zu der Einheit Watt (W) und ihren Zehnerpotenzen Kilowatt (kW), Megawatt (MW) und Gigawatt (GW) sind auch WattPeak (WP), KilowattPeak (kWP), MegawattPeak (MWP) und GigawattPeak (GWP) geläufig.

Doch warum „Peak“? „Spitze“ lautet die korrekte Übersetzung des englischen Wortes. Mit der Maßeinheit kWp wird also die elektrische Spitzenleistung einer Photovoltaikanlage beziffert.

Eine Aussage wie

„Die Leistung der Photovoltaik-Anlage beträgt 10 Kilowattpeak (kWp).“

ist daher eigentlich umgangssprachlich zu bewerten. Korrekt wäre eine Formulierung wie

„Die Nennleistung der Photovoltaik-Anlage unter Annahme der Standard-Testbedingungen beträgt 10 Kilowattpeak (kWp).“

Doch dies nur am Rande. Die Leistungsangabe bei PV-Anlagen in kWp hat sich schließlich längst zum Standard entwickelt und eine Aussage wie „Das ist eine 10-kWp-Fotovoltaikanlage“ ist mittlerweile durchaus geläufig.

Haus mit Solaranlage © reimax16, fotolia.com
Optimale Betriebsbedingungen herrschen eher selten, daher müssen Sie mit Abstrichen von der Nennleistung der PV-Anlage rechnen © reimax16, fotolia.com
Die Energieleistung nähert sich bei idealen Bedingungen der Nennleistung
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Standard-Testbedingungen (STC) in der Photovoltaik

Um die Leistung von Photovoltaik-Anlagen möglichst unabhängig vergleichen und bewerten zu können, hat man weltweit einheitliche Betriebsbedingungen definiert: die Standard-Testbedingungen, englisch Standard Test Conditions, abgekürzt STC. Basierend auf optimalen Umgebungsbedingungen, wird im Labor die maximale Leistung der Solarmodule ermittelt. Die Vorgaben für die Standard-Testbedingungen sind:

  • Sonnenlicht-Einstrahlung von 1.000 Watt pro Quadratmeter (W/m²) in Modulebene (bei senkrechtem Lichteinfall/ Einfallswinkel 48 Grad (°)),
  • Modulzellen-Temperatur von 25 Grad Celsius (°C) mit einer Toleranz von ±2 °C
  • Strahlungsspektrum bei einer astronomischen Luftmasse von 1,5 gemäß der DIN-Norm EN/IEC 60904-3 (2016), Teil 3.
Hinweis: Die astronomische Luftmasse, englisch Air Mass, kurz: AM, ist ein relatives Maß für die Wegstrecke, die das Licht von der Sonne bis zur Solaranlage zurücklegt, wobei die teilweise Streuung und Absorption des Lichts in der Erdatmosphäre berücksichtigt wird.
Die Angabe Peakleistung bezieht sich auf Test-Bedingungen
Die Angabe Peakleistung bezieht sich auf Test-Bedingungen

Die ermittelten Werte werden anschließend mathematisch ausgewertet und in Watt-Peak (Wp) beziffert. Positiv ist: Die Nennleistung hilft beim Vergleich der angebotenen Solarmodule.

Laborbedingungen vs. reale Bedingungen

Anders als im Labor herrschen die optimalen Bedingungen nie gleichzeitig. Die Fakten für eine Photovoltaikanlage in Deutschland sind:

  • Eine Sonneneinstrahlung von 1.000 W/m² wird selten erreicht. An einem strahlenden Sommertag ist dies kein Problem, bei bedecktem Himmel und im Winter beträgt die Einstrahlung aber oft nicht mehr als 50 W/m². Im Jahresmittel liegt der Wert je nach Region zwischen ca. 85 und 110 W/m².* Das ist tatsächlich weit entfernt vom Optimum.

*Quelle: Mittlere Jahressummen des Deutschen Wetterdiensts 1991-2020. Die sogenannte Globalstrahlung reicht von ca. 975 kWh/m² in Teilen Norddeutschlands bis etwa 1.260 kWh/m² in Alpennähe. Dividiert durch 8760 Stunden/Jahr ergibt sich so das Jahresmittel der Einstrahlung.

  • Gerade bei hoher Einstrahlung überschreitet die Zelltemperatur das 25-°C-Optimum deutlich. Als Faustregel gilt: Mit jedem Grad Temperaturanstieg sinkt der Wirkungsgrad der Photovoltaikmodule um 0,5 Prozent. Das klingt zunächst nicht dramatisch. Bei einer durchaus realistischen Erwärmung der Module auf 65 °C im Hochsommer liegt der Wirkungsgrad jedoch gerade einmal bei 80 Prozent der Nennleistung.
Solaranlage analyse mit Wärmebildkamera © mitifoto, fotolia.com
Höhere Modultemperaturen als die optimalen 25 °C lassen den Wirkungsgrad sinken © mitifoto, fotolia.com
  • Der AM-Wert 1,5 entspricht den sommerlichen Bedingungen in Mitteleuropa. Im Winter steht die Sonne jedoch wesentlich tiefer, ihre Strahlen legen eine längere Strecke durch die Atmosphäre zurück und das Lichtspektrum verändert sich (ein Grund übrigens auch für den oft rötlich schimmernden Himmel). Bei einem Air-Mass-Wert von bis zu 4 oder sogar 5 sinkt die Leistung der Solarstrahlung.
Darum ist die Angabe Kilowatt-Peak nur theoretisch aussagekräftig
Darum ist die Angabe Kilowatt-Peak nur theoretisch aussagekräftig

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Kilowatt-Peak und Stromertrag

Die Aussagekraft der Leistungsangabe Kilowatt-Peak ist für die tatsächliche Stromerzeugung also nur theoretischer Natur. Eine weitere Faustregel vereinfacht jedoch jede Planung der Investition:

Pi mal Daumen kann die Leistungsangabe nämlich 1:1.000 übertragen werden. Das heißt: Bei einer gut positionierten PV-Anlage ist pro Kilowatt-Peak Nennleistung jährlich etwa 1.000 Kilowatt-Stunde Ertrag zu erwarten. Aufgrund der regionalen Unterschiede innerhalb der Bundesrepublik wird der Wert in der Regel mit „900-1.100 kWh/kWp“ angegeben. Allerdings gilt dies nur bei einer optimalen Dachausrichtung (0°) und Dachneigung (35°). Welche Faktoren den Ertrag außerdem beeinflussen, kann im Beitrag zum Stromertrag nachgelesen werden.

Pro Kilowattpeak kann mit einem Ertrag von 900 -1100 Kilowattstunden rechnen
Pro Kilowattpeak ist mit einem Ertrag von 900 -1100 Kilowattstunden rechnen

Von einem jährlichen Stromverbrauch eines 4-Personen-Haushalts i.H.v. 4.500 kWh ausgehend, würde sich rein rechnerisch also eine 5-kWp-Solaranlage anbieten. Leider lässt sich dieser eigens erzeugte Strom selbst mit Stromspeicher jedoch nur zu durchschnittlich maximal 70 Prozent nutzen. Daher bieten sich zwei Alternativen an: teuren Netzstrom beziehen oder eine größere Anlage installieren. Letzteres ist nicht nur, aber vor allem ratsam, wenn ohnedies die Anschaffung eines Elektroautos geplant ist.

Kilowatt-Peak und Dachfläche

In unserem Beitrag zur Dimensionierung finden Interessenten einige Beispiele für den Strombedarf ohne und mit Elektroauto, Wärmepumpe und Klimaanlage. Die Berechnung der erforderlichen Dachfläche richtet sich nach der Leistung der Solarmodule. Je größer diese ist, desto kleiner die Modulfläche. Standard-Monokristallin-Module mit 60 Zellen haben einen hohen Wirkungsgrad und erreichen ca. 350 Watt Leistung. Mit ihnen ist pro Quadratmeter Fläche ca. 0,2 kWp Höchstleistung möglich. Oder andersherum: Für 1 kWp Leistung wird eine Dachfläche von 5 m² benötigt. Bei einer Anlage von 5 kWp wären es also ca. 25 m², bei 10 kWp ca. 50 m². Allerdings gelten hierfür die optimalen Bedingungen.

Allgemein gilt: Für eine Photovoltaikanlage mit 10 kWp Spitzenleistung kalkuliert man rund 60 Quadratmeter Montagefläche ein.

Tipp: Laut einer Studie der htw Berlin arbeitet eine größere Anlage wirtschaftlicher als eine kleine. Die Empfehlung lautet daher: Wenn das Budget es erlaubt, sollte die gesamte Dachfläche mit Solarmodulen belegt werden. Als ideal für ein Einfamilienhaus gilt eine PV-Anlage knapp unter der magischen 10-kWp-Grenze.

Fazit

Auch, wenn die Bedingungen im Labor der Realität praktisch nie entsprechen: Die Leistungsangabe „Kilowatt-Peak“ bietet eine gute Möglichkeit, die angebotenen Solaranlagen zu vergleichen. Außerdem lässt sie sich hierzulande recht leicht umrechnen: Pro kWp Nennleistung ist ein jährlicher Ertrag von im Mittel 1.000 kWh zu erwarten. Bei der benötigten Dachfläche rechnet man mit etwa 6 m² pro kWp.

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